中国学科发展战略·未来作物品种设计

作者：

种子形成与萌发

1 国内外研究进展

作为植物的繁殖器官，种子发育在植物的生命周期中起到至关重要的作用。种子为胚胎提供营养，能够在胁迫环境下进行休眠使植物更好地适应环境。此外，种子是人类赖以生存的粮食的最主要来源，为人类提供了 80% 的主粮，是粮食产量和品质形成的基础。因此，对种子形成与萌发调控机制的研究将为农作物的产量和品质提高提供理论基础和技术支撑。

1.1种子的形成

绝大多数种子由胚、胚乳和种皮3 个主要部分组成，它们分别由合子 ( 受精卵 )、初生胚乳核 ( 受精极核 ) 和珠被发育而成。在被子植物的有性生殖过程中，来自花粉的两个精子分别与胚囊中的卵细胞和中央细胞融合形成合子和初生胚乳核。前者经过细胞分裂、分化、器官发生和休眠建立等过程形成成熟胚胎；后者经过游离核分裂、细胞化等过程形成胚乳。胚和胚乳均可作为植物的营养累积器官，在发育后期累积淀粉、脂肪酸和蛋白质等。

种子发育过程中涉及的细胞分裂、细胞分化、器官发生和胞间通信等过程的调控机制是生命科学领域的重大科学问题，也是发育生物学研究的核心命题。早期胚胎发育调控涉及的关键生物学过程包括合子激活、胚胎极性建立、胚胎模式形成、子叶形成等。近期的研究表明精细胞中特异表达的某些转录本受精后就出现在合子中，暗示合子胚胎发生的启动和胚胎的早期发育并非只有母本信息调控。在配子成熟时期建立了某种关键的母本机制 (Wu et al.，2012)，这些母本因子对于受精后胚胎发生的启动及早期胚乳发育起决定性调控作用，表明雌配子信息对受精与胚胎发生的重要意义。胚乳发育一般经历一个早期的核分裂时期和随后的细胞化过程，细胞化之后的胚乳开始进行营养累积。不同植物胚乳的后期发育差异很大，大部分双子叶植物的成熟种子中胚乳极少，有些单子叶植物 ( 如多数禾本科植物 ) 有大量的胚乳营养累积。这种营养累积策略的差异是由不同的细胞发育命运所决定的。研究表明，特异表达的基因、激素、调控基因转录的因子、表观修饰及 sRNA 等在胚乳早期发育中发挥重要作用。细胞分裂素信号途径相关基因在胚乳发育的多核体阶段有高水平的表达，对胚乳发育具有关键作用。植物生长素调控了胚乳的细胞化过程；胚乳中赤霉素的活性对种子的正常生长是必需的 (Batista et al.，2019；Day et al.，2008)。MADS-box、Homeobox、B3 及DOF 类转录因子家族成员在胚乳发育中发挥重要调节作用 (Yin and Xue， 2012；Zheng et al.，2019)。sRNA 参与了胚乳发育过程中基因组印记的形成。此外，利用水稻、玉米、大麦突变体开展的遗传学研究也鉴定出了一些参与胚乳早期发育的关键基因。最近的研究发现了胚乳和胚胎间信息交流的新机制。来源于胚胎的TWS1 前体，通过胚乳产生的肽酶进行切割产生活性小肽，该小肽与胚胎中的受体结合，从而调控胚胎角质层的形成和种子发育(Doll et al.，2020)。

1.2种子大小的调控

在种子的发育过程中，母体组织和合子组织的协同调控影响了种子的生长和最终大小。种子大小是作物产量的重要构成要素，也是作物遗传育种的主要改良目标之一。作物种子大小的研究是近年来快速发展的研究领域。近年来，科学家们克隆了多个影响种子大小的关键基因，发现G 蛋白信号、泛素途径、MAPK 信号、转录调控因子以及激素和其他生长物质等都参与调控植物种子大小 (Li and Li，2016；Li et al.，2019；Zuo and Li，2014)。在水稻中，张启发院士团队首先克隆了控制粒长的主效 QTL 位点 GS3，编码了一个G 蛋白亚基 (Fan et al.，2006)，育种家们已利用 GS3 基因的优良等位变异改良水稻粒形和产量。最近的研究揭示了G 蛋白亚基 GS3 和 DEP1 拮抗调控水稻粒长 (Sun et al.，2018)。控制水稻粒宽的主效 QTL 基因 GW2，编码了一个E3 泛素连接酶 (Song et al.，2007)。其同源蛋白在小麦、玉米等植物中具有保守功能，负调控种子大小。在模式植物拟南芥中，也建立了以泛素受体 DA1 为中心的种子大小调控的分子遗传网络 (Dong et al.，2017；Du et al.，2014；Li et al.，2008；Xia et al.，2013)，并发现该网络成员在小麦、玉米、油菜和水稻等作物中具有保守功能，可以用来增加种子大小和产量 (Wang et al.， 2017；Xie et al.，2017)。最近，我国科学家在水稻中发现了 MAPK 级联信号途径调控了种子大小和穗粒数 (Guo et al.，2018a；Xu et al.，2018a，2018b)。水稻 GTP 酶 OsRAC1 影响了 MAPK6 的磷酸化水平，从而调控水稻种子大小(Zhang et al.，2019)。水稻 OsmiR396-OsGRF4-OsGIFs 信号途径在种子大小调控中起重要作用 (Che et al.，2015；Duan et al.，2015)。SPL 家族的转录因子OsSPL13、OsSPL14/IPA1 和 OsSPL16 参与调控水稻种子大小和株型等重要农艺性状 (Jiao et al.，2010；Si et al.，2016；Wang et al.，2012)。OsSPL16 则通过直接调控 GL7 的表达调控水稻种子大小 (Wang et al.，2015a，2015b)。此外，染色质修饰和植物激素等也参与了种子大小的调控。育种学家正在利用这些基因的优良等位变异提高作物种子的产量和品质。

1.3种子的萌发

种子成熟后即进入休眠状态，直到外界环境变得适宜植物生长时，种子才会进入萌发状态。种子萌发受到内源激素及多种外界环境因子的调控，如温度、光照和水分等 (Jiang et al.，2016；Ma et al.，2019；Shi et al.， 2015)。植物内源激素是调控种子萌发的内因，其中，脱落酸 (ABA) 和赤霉素 (GA) 起到主要作用。种子内 ABA 和 GA 的相对含量及种子对这两种激素的信号反应是决定种子萌发的关键因素 (Bentsink and Koornneef，2008； Guo et al.，2018b；Hu et al.，2019)。研究表明，ABA 可以诱导和维持种子的休眠，抑制种子萌发 (Holdsworth et al.，2008；Kang et al.，2015；Yan and Chen，2017)。GA 是一类类萜化合物，在种子萌发过程中起拮抗ABA 的作用，促进种子萌发 (Holdsworth et al.，2008；Liu et al.，2016)。除ABA 和GA 以外，乙烯、油菜内酯素 (BR) 和生长素在种子萌发中也具有调控作用 (Finkelstein et al.，2008；Gazzarrini and Tsai，2015)。乙烯可以通过促进胚轴的细胞伸长，增强种子的呼吸作用或者增加水势来促进种子萌发 (Arc et al.，2013； Bentsink and Koornneef，2008)。生长素在种子萌发中的作用还不明确，但转录组分析结果显示生长素的转运子 AUX1、PIN2 和 PIN7 的在萌发种子中的转录水平比在休眠种子中高 (Carrera et al.，2008；Wang et al.，2016)，说明生长素可能参与种子萌发的调控。此外，多种环境因子是调控种子萌发的外因，其中光照、温度和水分起到主要调控作用。光诱导的种子萌发起始过程是由光受体 phytochrom B (phyB) 所介导 (Jiang et al.，2016；Shi et al.， 2015)。外界光信号最终跟植物内源激素整合在一起，共同调控种子萌发。光照可以通过调控 ABA 和 GA 的合成、代谢及信号转导通路来调控种子萌发(Cho et al.，2012；Jiang et al.，2016；Vaistij et al.，2018)。温度也会影响种子萌发。低温处理会促进 GA 合成基因表达，有利于 GA 的积累及 GA 诱导基因表达的丰度，从而促进种子萌发 (Topham et al.，2017；Yamauchi et al.， 2004)。同时低温与光还能相互协调共同调控种子萌发 (Pen？eld et al.，2005)；高温则会诱导种子的次级休眠 (Chang et al.，2018)。因此，在播种前对种子进行激素和光温处理将直接影响农作物的种子萌发和出苗率。

2未来发展趋势与关键突破口

尽管传统育种仍具有一定的增产潜力，但面对持续的粮食增产需求，有必要进一步发展育种技术和提高育种效率。未来作物设计对于种子产量、品质、活力的育种工作提出了更高的要求。对调控种子形成与萌发的分子机制的深入研究将有助于种子产量、品质、活力等育种工作，通过研究种子形成与萌发的调控机制，阐明作物种子产量和品质形成的分子基础，挖掘可用于粮食产量和品质提高的重要功能基因并应用于主要农作物的遗传改造，将为农作物的改良提供理论指导。

种子形成与萌发过程伴随着特定基因的时空表达，受体内生理信号和体外环境信号的多重调控，是一个多因素影响的复杂调控网络。最近的研究揭示了光照、温度、激素和多个信号途径对于种子形成与萌发的影响，鉴定了一系列种子形成与萌发的关键调控因子，但是种子形成与萌发的调控网络仍然不清楚，仍有很多关键问题亟待解决。例如，种子的形成和发育受到环境因素、非生物胁迫等的影响，但是这些外界因素是如何影响种子的形成和发育的？植物激素调控了大量生物学过程，但植物激素如何调控种子形成和发育等有待进一步完善。胚胎、胚乳和母体组织是如何进行信息交流，协同调控种子生长的？尽管种子的生长受到环境条件的影响，但是同一物种的种子

大小相对恒定，而不同物种的种子大小差异很大，说明种子的生长上限是由植物的内源信号控制的，而植物种子生长过程中是如何感知生长信号并决定其最终大小的？种子的生长受细胞分裂和细胞扩展的协同调控，植物是如何协调这两个细胞过程，调控种子生长的？目前已经鉴定了一些调控种子形成和萌发的信号途径，这些途径之间是如何互作的？种子萌发受到多种内外界因素的综合调控，包括光照、水分、温度及内源植物激素等。综合考虑种子萌发过程中光、温、水等因子的耦合作用，环境因子与内源激素的协同变化，以及种子感知外源信号的分子传导途径等是将来的研究重点。

在作物种子的遗传改良中也有一系列问题需要解决。例如，提高粒重的同时经常伴随着种子数目的降低；有时提高了种子产量，而种子的品质也受到了影响；如何同时协同改良作物种子大小、数目和品质，培育既高产又优质的作物是育种的重要方向。作物种子发育过程中，在穗子不同位置的种子发育程度经常不一致。例如，水稻穗子基部种子的灌浆程度相对较差，如何提高水稻穗子基部的灌浆效率是生产中需要解决的实际问题。在生产中，人们通常根据种子在土壤中的萌发出苗率与整齐性，来决定品种选择与播种数量，并成为作物驯化过程中的关键指标。通常需要 2 ～ 3 倍种子来保证出苗率，且由于种子的过量播种，部分区域出土多颗幼苗，需要人工间苗，大幅增加了生产成本。如何能促进种子整齐萌芽出土是急需解决的关键问题。种子成熟后期遇到连续阴雨时会在植株上萌发 ( 穗萌 )，这对种子与粮食生产造成巨大的经济损失。如何能促进种子整齐萌芽出土同时又能抑制穗萌？此外，先前的种子萌发研究主要在没有土壤覆盖的条件下进行，与农业生产的实际情况有较大差异，这个问题在将来的生产中更为突出。如何最大限度地模拟现代农业实际生产，深入研究真实土壤条件下的作物种子萌发出土的特性及分子调控机制，有效提高直播后种子萌发出土的比率，已经成为我国目前亟待解决的重要课题。

未来的关键突破将是整合近年来发展起来的转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表型组学等高通量组学分析手段及信息生物学和系统生物学与传统研究方法相结合，从多层次研究种子形成与萌发的遗传调控网络；系统分析不同调控因子、不同遗传途径的互作关系，建立种子形成与萌发调控的数学模型；比较不同作物种子形成和萌发的相同和不同之处，从进化和人工选择的角度解析种子形成和萌发的规律；其结果不但会系统阐明种子形成与萌发的调控机制，也将为主要农作物的产量和品质育种提供重要线索，最终实现多基因控制性状的精准改良。

3阶段性目标

种子的形成与萌发是一个包括多种细胞学过程和多个器官发生的复杂的生物学过程，受母体和合子的多种发育信号的调控，以及体内外环境条件的影响。揭示种子发育的调控机制和分子网络需要长期的研究积累和多层次、多方向研究结果的整合。未来的研究目标是进一步阐明种子形成和发育过程的分子机制和调控网络，揭示不同调控因子、不同信号之间的互作关系以及它们对种子发育和作物产量和品质的影响；从进化和人工选择的角度理解种子形成和萌发的规律，为农作物性状改良提供理论依据。为了实现这一目标，我们将分两个阶段进行。

3.1 2035 年目标

虽然之前的研究已经鉴定了一些影响种子形成与萌发的因子，但是相对于种子形成与萌发的复杂的调控网络，目前仍知之甚少。为了进一步阐明种子形成与萌发的调控机制，2035 年目标主要是进一步通过正、反向遗传学结合现代生物学技术系统地分离鉴定种子形成与萌发过程中的调控因子，解析环境、激素等对种子形成和萌发的影响，建立种子形成与萌发调控的分子遗传网络。利用大数据信息，比较不同作物或物种的基因组数据，发现种子形成和萌发的调控规律，挖掘种子形成和萌发的进化保守基因与人工驯化和选择的关键因子。利用基因编辑技术，对种子形成和萌发的关键基因进行遗传改良。

早期种子发育调控涉及合子激活、胚胎极性建立、胚胎模式形成、子叶形成等重要发育生物学问题。目前虽然鉴定了多个种子发育的基因和途径，并对种子发育过程有较为深入的理解，但是种子发育过程中所涉及的多因子或多途径之间是如何协同调控，从而决定种子形成的分子遗传网络有待进一步解析。另外，种子发育过程也受到植物激素和外界环境条件的极大影响，从而影响种子的产量和品质。因此需要加强研究外界环境 ( 如温度、养分等 ) 对种子发育的影响，阐明其调控的分子机制，培育出能够最佳适应外界环境变化的作物新品种。

虽然鉴定了多个调控种子大小的因子和途径，但这些因子和途径间的遗传和生化关系仍不清楚，在作物中还没建立种子大小的调控网络。进一步研究需要搞清楚调控种子大小因子或途径间的分子关系，建立调控种子大小的分子遗传网络。另外，提高种子大小的同时经常伴随着种子数目和品质的降低，因此需要解析种子大小、数目和品质相互调控的分子机制。应用常规育种结合现代技术，利用种子大小、品质等关键基因和优良等位变异，进行精准分子设计育种，培育高产优质的作物新品种。

种子萌发是一个同时受到多种环境因子与多个内源激素的综合调控过程。过去的研究中，虽然取得了许多重要研究成果，但由于主要针对某一种条件或者单一激素情况下对种子萌发的调控进行研究，使得对种子萌发分子调控网络的整体认识不够。接下来，我们将综合研究种子萌发中光照、温度等环境因子的耦合作用，并与植物激素的调控作用进行整合，鉴定连接不同环境因子与内源激素信号通路的关键整合蛋白，揭示这些蛋白的上下游调控机制，构建出植物种子整合环境因子与内源激素信号调控种子萌发的分子信号网络。同时，机械化直播是未来作物的发展方向。与传统育秧移栽相比，怎样提高直播后种子萌芽出苗率和水淹条件下水稻种子萌发率是两个需要重点解决的难题。需要通过真实土壤实验，对直播后种子的萌发进行深入研究，系统研究土壤机械压力，光温变化，以及低氧胁迫多重环境因子的调控机制，阐明土壤条件下种子萌发调控的分子机制，并选育出多个具有显著增强萌芽出土能力，适合机械化直播的作物品种。

3.2 2050 年目标

在 2035 年目标的基础上，整合多方面的研究结果，建立种子形成与萌发过程中不同途径、不同网络和不同信号之间的互作关系，建立调控种子大小的数学模型。同时，利用这些理论基础，通过现代基因编辑等手段，对控制不同性状的基因优化组装设计，实现多基因和多网络控制性状的精准改良，培育出高产、优质、耐储藏、萌发整齐和适合机械化种植的作物新品种。

致谢：本章在撰写过程中得到了李娜教授和陈良碧教授的协助，特此致谢！